Combinant la microfluidique et microrhéologie pour déterminer les propriétés rhéologiques de la matière molle au cours de Transitions de phases répétées

L’objectif global de cette procédure est d’utiliser la microfluidique pour induire des transitions de phase consécutives dans un seul échantillon de matière molle en échangeant le fluide environnant tout en mesurant simultanément les changements de propriétés rhéologiques à l’aide de la microrhéologie de suivi de plusieurs particules. Cette méthode peut répondre à des questions clés dans le domaine de la matière molle, telles que l’impact des transitions de phase, y compris le réarrangement moléculaire ou colloïdal sur les propriétés rhéologiques dynamiques. Le principal avantage de cette technique est que l’échantillon reste en place pendant les multiples transitions de phase, ce qui permet une caractérisation en temps réel.

Cela permet de quantifier les propriétés rhéologiques, en particulier les propriétés uniques dans les systèmes hétérogènes. Pour commencer la procédure, imprimez le négatif du dispositif microfluidique sur une feuille d’acétate transparent et réchauffez une lampe UV à haute intensité. Sur une deuxième feuille d’acétate transparent, tracez les coins d’une diapositive de 75 millimètres sur 50 millimètres.

Placez des entretoises en verre d’un millimètre de haut sur les coins. Versez environ cinq millilitres de résine thiol-ène durcissable aux UV au centre des entretoises. Posez soigneusement une lame de verre de 75 millimètres sur 50 millimètres sur un millimètre sur les entretoises pour couvrir la résine.

Assurez-vous qu’il n’y a pas de bulles d’air entre la glissière et la résine. Placez le négatif imprimé sur la lame de verre. Faites glisser délicatement l’ensemble sous la lampe UV et laissez la résine durcir pendant 45 secondes.

Ensuite, faites glisser l’ensemble loin de la lampe UV et retirez la lame de verre à motifs ou le tampon microfluidique. Immergez le tampon microfluidique dans de l’acétone pendant 10 secondes maximum, puis plongez le tampon dans de l’éthanol pendant la même durée. Répétez cette séquence d’immersion une fois.

Ensuite, plongez le tampon dans de l’eau distillée. En travaillant avec un minimum de mouvement de la main, utilisez un coton-tige pour retirer la résine restante sans toucher la résine durcie. Remplacez le coton-tige lorsqu’il est saturé d’eau.

Faites durcir le tampon sous la lumière UV pendant encore 30 minutes. Ensuite, mélangez 70 grammes de base PDMS avec un agent de réticulation dans un rapport de un à 10, et dégazez le PDMS pendant une heure ou jusqu’à ce que le PDMS ne soit plus trouble. Placez le tampon microfluidique face vers le haut dans une boîte de Pétri en plastique de 150 millimètres.

Versez lentement le PDMS dans le plat, en versant près de la surface du plat pour minimiser la formation de bulles, pour couvrir complètement le tampon. Couvrez la boîte de Pétri et durcissez le PDMS à 55 degrés Celsius pendant la nuit. À l’aide d’un couteau, coupez l’excédent de PDMS.

Séparez le PDMS à motifs du tampon à la main. Retirez le tampon et l’excédent de PDMS de la boîte de Pétri. Ensuite, placez le plat sur une feuille de papier imprimée avec les emplacements des trous extérieurs symétriques pour la chambre d’échantillonnage.

Alignez le PDMS à motifs avec le guide et utilisez un poinçon de biopsie de 5 millimètres pour percer des trous à travers le PDMS aux endroits marqués. La principale caractéristique de cet appareil est la symétrie entre les canaux d’entrée et la même chambre. Cela permet l’échange de liquide sans perte d’échantillon.

Il est important d’utiliser un modèle de guidage pour assurer la précision lors de la coupe des canaux. Enfin, percez un trou au centre de la chambre d’échantillonnage, sur le bord intérieur de la chambre d’aspiration et à chaque extrémité des longs canaux extérieurs. Couvrez la boîte de Pétri lorsque vous rangez le PDMS à motifs.

Un jour avant l’assemblage du dispositif, préparez le fluide préconverti qui sera utilisé pour créer des parois de verre dans le dispositif microfluidique. Pour commencer l’assemblage de l’appareil, traitez au plasma le PDMS à motifs et une fine lame de verre pendant 40 secondes. Appuyez soigneusement ensemble sur les faces traitées au plasma de la lame et sur le PDMS à motifs.

Appliquez de la résine durcissable aux UV sur la couture entre le PDMS et la lame, et durcissez la résine sous une lumière UV de faible intensité pendant cinq minutes. Ensuite, insérez des tubes thermoplastiques équipés de connecteurs en acier inoxydable dans tous les trous d’angle sauf un du PDMS à motifs. Connectez une seringue de trois millilitres de liquide préconverti au dernier trou à l’aide d’une aiguille de calibre 18, d’un tube thermoplastique et d’un connecteur.

Remplissez le dispositif microfluidique avec du liquide préconverti. Ensuite, placez l’appareil sur une plaque chauffante chauffée à 100 degrés Celsius et, pendant 10 secondes, faites couler trois millilitres de fluide préconverti à travers l’appareil pour fabriquer les parois en verre. Ensuite, retirez l’appareil de la plaque chauffante.

Utilisez une seringue de 30 millilitres d’air pour expulser l’excès de liquide préconverti. Faites couler lentement 15 millilitres de chloroforme à travers l’appareil, suivis de 30 millilitres d’éthanol, chacun sur une période d’environ une minute. Ensuite, poussez l’air à travers le dispositif microfluidique jusqu’à ce qu’il soit sec.

Retirez le tube des trous. Ensuite, utilisez de la résine durcissable aux UV pour fixer des bandes de verre d’un millimètre d’épaisseur sur la face inférieure des bords longs de l’appareil. Coupez un morceau de 30 x 30 millimètres de PDMS durci en excès et percez un trou plus large que la chambre d’échantillon au centre pour former le bassin de solvant.

Plasma : traitement du bassin et du dispositif microfluidique pendant 40 secondes. Placez la face du bassin traitée au plasma sur l’appareil avec la chambre d’échantillonnage centrée dans le trou. Appliquez une légère pression pour fixer le bassin à l’appareil.

Enfin, coupez six carrés de cinq millimètres dans l’excédent de PDMS. À l’aide d’un poinçon de biopsie de 5 millimètres, découpez un trou à mi-chemin de chaque carré. Insérez un connecteur en acier inoxydable dans chaque trou pour former les bouchons PDMS.

Après avoir chargé l’échantillon de matière molle dans une seringue d’un millilitre, insérez un tube thermoplastique dans trois des canaux d’entrée d’angle de l’appareil et dans la sortie de la chambre d’aspiration. Remplissez une autre seringue avec de l’eau déminéralisée. Fixez le tube thermoplastique à la seringue et expulsez les bulles d’air.

Connectez la seringue au quatrième canal d’entrée d’angle. Remplissez l’appareil et le bassin de solvant avec de l’eau déminéralisée. Assurez-vous qu’il n’y a pas de bulles dans la chambre d’échantillonnage ou dans les canaux microfluidiques.

Complétez l’eau du bassin de solvant avec une pipette de transfert si nécessaire. Il est essentiel que le dispositif microfluidique soit correctement configuré. Plus important encore, assurez-vous qu’il n’y a pas de bulles d’air dans l’appareil, car elles peuvent perturber à la fois le flux microfluidique et les données microrhéologiques.

Ensuite, injectez 10 microlitres de l’échantillon de matière molle dans la chambre d’échantillonnage via l’entrée centrale à environ deux microlitres par seconde. Boucher l’entrée centrale après le chargement de l’échantillon. À l’aide d’un microscope inversé et d’une caméra à grande vitesse, enregistrez au moins 20 vidéos du mouvement brownien des sondes dans le mélange d’échantillons sur des intervalles de temps appropriés à la durée de la transition de phase.

Pour la gélification, continuez à enregistrer des vidéos jusqu’à ce que le mouvement de la sonde s’arrête complètement. Pour la dégradation, continuez à enregistrer des vidéos jusqu’à ce que les sondes soient complètement diffuses. Ensuite, retirez l’appareil de la platine du microscope.

Pour remplacer l’eau par un fluide de densité plus élevée, prélevez l’eau du bassin de solvant à l’aide d’une pipette de transfert et pipetez quatre millilitres du fluide de densité supérieure dans le bassin. Remettez l’appareil sur la platine du microscope et poursuivez l’enregistrement des vidéos. Pour remplacer un liquide de densité supérieure par de l’eau ou un autre fluide de densité inférieure, connectez une seringue au canal de la chambre d’aspiration à l’aide d’une aiguille de calibre 18 et d’un tube thermoplastique.

Montez la seringue sur un tire-seringue réglé pour retirer à raison d’un millilitre par minute. Pipetez la majeure partie du liquide haute densité du bassin de solvant et rincez le bassin avec le liquide de faible densité trois fois, sans jamais laisser le bassin se vider complètement. Remplissez le bassin avec un liquide à faible densité après le rinçage.

Remplissez une pipette de transfert avec le liquide à faible densité. Ensuite, utilisez le pousse-seringue pour prélever le liquide à haute densité pendant une minute. Ajoutez le liquide de faible densité goutte à goutte dans le bassin au besoin pendant l’échange de fluide.

Ensuite, bouchez la chambre d’aspiration et remettez l’appareil sur la platine du microscope pour l’enregistrement. Acquérez des vidéos des cycles de gélification de dégradation de cette manière pour le nombre de cycles souhaité ou jusqu’à ce qu’il n’y ait pas suffisamment de sondes pour la mesure. Le déplacement quadratique moyen moyen d’ensemble des trajectoires des particules de sonde a été suivi lors des transitions de phase successives d’un système d’huile de ricin hydrogénée entre le gel et le sol.

La gélification a été induite par l’échange d’eau par gravité pour un agent gélifiant de plus haute densité. La dégradation a été induite par l’échange du flux d’aspiration de l’agent gélifiant pour l’eau. La chambre d’échantillonnage a été rincée à l’eau lorsque le comportement de phase a suggéré que l’agent gélifiant n’avait pas été complètement éliminé de la chambre.

Aucun changement des propriétés rhéologiques n’a été observé lorsque l’échantillon a été laissé en phase sol sans échange de liquide pendant environ 600 minutes. Les transitions de phase répétées n’ont pas induit de changements observables dans les propriétés rhéologiques d’équilibre, comme le montrent les pentes logarithmiques des courbes MSD ou alpha revenant aux mêmes valeurs pour chaque phase. La valeur alpha à l’équilibre de la phase sol était inférieure à 1,0, ce qui indique que le matériau a conservé une certaine structure même après dégradation.

Le gel a subi une augmentation de l’hétérogénéité structurelle pendant la transition de phase gel-sol, comme l’indiquent les pics de paramètres non gaussiens pendant les cycles de dégradation. Un réarrangement colloïdal peut se produire immédiatement après l’échange de fluides, comme l’indiquent les augmentations de l’alpha. Nous avons d’abord eu l’idée de cette méthode pour déterminer si les transitions de phase provoquaient des changements permanents dans les propriétés rhéologiques et la microstructure d’un matériau mou.

Dans le système HCO, ce dispositif a permis de mesurer deux mécanismes possibles de ces changements permanents, le réarrangement colloïdal lors des transitions de phase ou le cisaillement induit lors de la préparation de l’échantillon. Une fois maîtrisée, cette technique peut être utilisée pour identifier les propriétés rhéologiques d’un système de matière molle sur de nombreuses transitions de phase en réponse aux changements de l’environnement fluide environnant.